大型雙曲面次鏡面形檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

侯 溪，伍 凡

（中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川成都610209）

大型雙曲面次鏡面形檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

侯 溪，伍 凡

（中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川成都610209）

隨著以雙曲面為次鏡的兩鏡光學(xué)系統(tǒng)在天文和空間光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，雙曲面次鏡的口徑和相對(duì)口徑越來(lái)越大，由此對(duì)雙曲面次鏡的面形檢測(cè)技術(shù)提出了很高的要求。本文基于國(guó)外有代表性的雙曲面次鏡參數(shù)分析了其基本特征和發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)介紹了國(guó)外大型雙曲面次鏡的面形檢測(cè)技術(shù)，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。同時(shí)，概述了國(guó)內(nèi)雙曲面次鏡檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀。最后，總結(jié)和展望了大型雙曲面次鏡面形檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。提出今后一段時(shí)間內(nèi)，高均勻性的光學(xué)透射材料，高精度、大口徑的輔助元件以及基于子孔徑拼接的檢測(cè)方法和數(shù)據(jù)處理方法是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

面形檢測(cè)；雙曲面次鏡；光學(xué)檢驗(yàn)

1 引 言

以雙曲面為次鏡的兩鏡光學(xué)系統(tǒng)Cassegrain和Ritchey-Chretien在天文和空間光學(xué)領(lǐng)域得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用［1，2］，而且隨著光學(xué)制造和檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，已研制出和計(jì)劃使用的雙曲面次鏡的口徑和相對(duì)口徑也越來(lái)越大，其次鏡通常為新型的輕質(zhì)鏡結(jié)構(gòu)。由于制造技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)息息相關(guān)，沒(méi)有檢測(cè)就沒(méi)有控制和確定性制造，大口徑雙曲面次鏡的高精度制造同樣需要相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)，其制造精度主要受相應(yīng)檢測(cè)精度的限制。

大型雙曲面次鏡的加工過(guò)程一般可分為工件成型、研磨和拋光3個(gè)階段。每個(gè)加工階段都有其相應(yīng)的面形檢測(cè)方法作為加工指導(dǎo)。對(duì)于大型雙曲面次鏡成型和研磨階段的檢測(cè)，現(xiàn)有商業(yè)化的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以滿足米級(jí)測(cè)量口徑和亞微米級(jí)精度要求。雙曲面次鏡面形檢測(cè)方法的本質(zhì)是利用輔助鏡得到同心光束而進(jìn)行零位檢驗(yàn)，它的主要困難在于需要特殊輔助元件產(chǎn)生一束至少與被測(cè)雙曲面次鏡同等口徑的會(huì)聚光束，因此對(duì)大型雙曲面次鏡拋光階段的面形檢測(cè)面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文將綜述國(guó)內(nèi)外大型雙曲面次鏡面形檢測(cè)技術(shù)，指出其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并展望其發(fā)展趨勢(shì)。

2 雙曲面次鏡基本特征及發(fā)展趨勢(shì)分析

現(xiàn)代大型望遠(yuǎn)鏡等大型光學(xué)工程已成為國(guó)家綜合實(shí)力和科技進(jìn)步水平的標(biāo)志之一，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家一直保持領(lǐng)先的地位，俄羅斯也顯示了相當(dāng)?shù)膶?shí)力?，F(xiàn)代大型望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要為Cassegrain型和Ritchey-Chretien型［1，2］。表1列出了國(guó)際上具有代表性的大型望遠(yuǎn)鏡中雙曲面次鏡的基本參數(shù)，從中可以看出現(xiàn)代大型望遠(yuǎn)鏡主鏡（M1）口徑已經(jīng)達(dá)到幾米甚至幾十米量級(jí)；其次鏡（M2）均采用雙曲面鏡，且相應(yīng)的口徑達(dá)米級(jí)甚至幾米量級(jí)。此外，表1數(shù)據(jù)顯示雙曲面次鏡的相對(duì)口徑越來(lái)越大，即f/＃越來(lái)越小，有接近1的趨勢(shì)，這大大增加了光學(xué)制造和檢測(cè)難度。圖1為法國(guó)研制的Gemini次鏡實(shí)物照片，圖2為俄羅斯研制的VISTA次鏡實(shí)物照片，從圖中可以清晰看到大型次鏡為輕質(zhì)鏡結(jié)構(gòu)，這也是大型次鏡發(fā)展趨勢(shì)之一。

表1 國(guó)際上有代表性的大型雙曲面次鏡參數(shù)列表Table.1 List of parameters of internationally typical and large hyperboloidal secondary m irrors

圖1 法國(guó)研制的Gemini次鏡

圖2 俄羅斯研制的VISTA次鏡

3 國(guó)外雙曲面次鏡面形檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)分析

在現(xiàn)代大型天文和空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃的直接牽引下，大型雙曲面次鏡的檢測(cè)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，歐洲、美國(guó)和俄羅斯已經(jīng)處于該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，并形成了各具特色的技術(shù)解決方案。

在雙曲面次鏡的拋光加工階段，常用的定量檢測(cè)方法有無(wú)像差點(diǎn)法和補(bǔ)償器零檢驗(yàn)法。凸雙曲面的共軛點(diǎn)為一個(gè)實(shí)幾何焦點(diǎn)和一個(gè)虛幾何焦點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行無(wú)像差點(diǎn)檢測(cè)需要一塊口徑為被測(cè)雙曲面鏡口徑兩倍以上甚至更大的高精度Hindle球面反射鏡［3］，以將置于被測(cè)凸雙曲面鏡實(shí)幾何焦點(diǎn)處的點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)凸雙曲面鏡反射所形成的發(fā)散球面波前由原路反射回來(lái)，該Hindle檢測(cè)方法較適合中小口徑凸雙曲面，而用于大口徑雙曲面次鏡檢測(cè)所需的高精度Hindle球面反射鏡通常制造有難度，且價(jià)格昂貴，其對(duì)于超大口徑雙曲面次鏡的Hindle無(wú)像差點(diǎn)檢測(cè)幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。Simpson-Hindle檢測(cè)方法［3］將Hindle鏡靠近被測(cè)凸雙曲面，這樣使得Hindle鏡變成一個(gè)口徑略大于凸雙曲面鏡口徑的Hindle球殼，由于檢測(cè)光需要通過(guò)該Hindle球殼，因此對(duì)Hindle球殼材料的均勻性提出了較高要求。對(duì)于口徑為300 mm左右的雙曲面次鏡，法國(guó)Reosc常采用此方法。因此，大口徑的Hindle球殼在實(shí)際制造中存在較大困難，口徑大于1 m時(shí)更是難以實(shí)現(xiàn)。

補(bǔ)償器零檢驗(yàn)法是廣泛使用的另一種大口徑雙曲面次鏡檢測(cè)方法。目前國(guó)外采用的零補(bǔ)償器方法主要包括：非球面樣板法［3，4］和計(jì)算全息板法［3，5］。補(bǔ)償方法的實(shí)質(zhì)是借助補(bǔ)償器把平面或球面參考波前轉(zhuǎn)換為與被測(cè)雙曲面次鏡理論形狀重合的雙曲面波前，由補(bǔ)償器出射的波前，可以看作是疊在被檢雙曲面次鏡上的無(wú)接觸樣板。

在超大望遠(yuǎn)鏡（VLT）和Gemini等8 m級(jí)望遠(yuǎn)鏡次鏡的研制中，法國(guó)Reosc采用非球面樣板法［4］，如圖3所示。非球面樣板法通過(guò)制造一塊口徑略大于被測(cè)雙曲面次鏡口徑的非球面樣板來(lái)實(shí)現(xiàn)零檢測(cè)，該檢測(cè)方法對(duì)非球面樣板的材料均勻性要求苛刻，同時(shí)制造和標(biāo)定這樣的非球面樣板存在一定困難。德國(guó)Schott能提供大尺寸高均勻性的光學(xué)材料，法國(guó)Reosc具有較強(qiáng)的非球面透鏡加工能力和高精度加工設(shè)備（如離子束加工設(shè)備），這也是選擇該技術(shù)方案的重要前提條件。圖4為Reosc提出的歐洲超大型望遠(yuǎn)鏡E-ELT中6 m雙曲面次鏡檢測(cè)方案［6］，該方法采用口徑分別為3.3和3.4 m的2個(gè)球面鏡，通過(guò)旋轉(zhuǎn)次鏡，3.4 m球面鏡可檢測(cè)次鏡內(nèi)環(huán)帶區(qū)域，而3.3 m球面鏡可檢測(cè)次鏡外環(huán)帶區(qū)域，其對(duì)應(yīng)的子孔徑配置如圖4（b）所示，各個(gè)相鄰子孔徑之間存在一定重疊區(qū)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接處理可以得到全孔徑面形信息。

圖3 法國(guó)Reosc采用的Gemini次鏡檢測(cè)系統(tǒng)組成及非球面樣板

圖4 法國(guó)Reosc提出的E-ELT 6m次鏡檢測(cè)方案（a）及子孔徑配置圖（b）

美國(guó)SOML在MMT和LBT等6～8 m級(jí)望遠(yuǎn)鏡次鏡的研制中，采用計(jì)算全息板法［5］已有十幾年的發(fā)展歷程，現(xiàn)已研制出專(zhuān)用的大型激光直寫(xiě)設(shè)備。如圖5所示，計(jì)算全息板法是通過(guò)制造一塊口徑略大于被測(cè)雙曲面次鏡口徑的計(jì)算全息板來(lái)實(shí)現(xiàn)零檢測(cè)，該檢測(cè)方法專(zhuān)用的大型激光直寫(xiě)設(shè)備把計(jì)算全息圖刻劃在球面上以產(chǎn)生理想的檢測(cè)波前，同時(shí)需要一塊大口徑非球面主鏡與球面次鏡組成照明系統(tǒng)。在LSST和TMT望遠(yuǎn)鏡超大口徑凸非球面鏡研制過(guò)程中，考慮到超大口徑計(jì)算全息板和非對(duì)稱(chēng)在計(jì)算全息板制造上的困難，美國(guó)SOML近期提出將采用1 m口徑非球面樣板的抗振動(dòng)菲索型干涉儀和子孔徑拼接技術(shù)組合起來(lái)檢測(cè)超大口徑凸非球面次鏡的方法［7］，如圖6所示。該菲索型干涉儀是在商業(yè)化的偏振移相干涉儀的基礎(chǔ)上外部擴(kuò)展一個(gè)帶有非球面樣板的輔助光學(xué)系統(tǒng)組成的。美國(guó)Ball公司在JWST次鏡檢測(cè)方案中提出了一種改進(jìn)的基于帶孔Hindle球面分塊鏡的子孔徑檢測(cè)方法［8］，該方法的特點(diǎn)在于所有子孔徑數(shù)據(jù)在其孔附近有一個(gè)共同的環(huán)形檢測(cè)區(qū)域，在數(shù)據(jù)拼接處理時(shí)可以提高拼接精度，但該Hindle球面分塊鏡的口徑相對(duì)偏大，對(duì)于口徑不算太大的JWST次鏡相對(duì)較適用，較難擴(kuò)展到米級(jí)甚至更大口徑的雙曲面次鏡檢測(cè)。

圖5 美國(guó)SOML采用的計(jì)算全息次鏡檢測(cè)系統(tǒng)

在VST和VISTA望遠(yuǎn)鏡次鏡的研制過(guò)程中，俄羅斯LZOS采用兩塊Hindle球面鏡分段測(cè)量法［9］。如圖7所示，該方法采用串接兩個(gè)Hindle球面鏡的方法，沿著光軸的方向放置兩個(gè)中心通光孔徑不同的Hindle球面鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)次鏡內(nèi)外不同區(qū)域的分段檢測(cè)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以得到全孔徑面形。俄羅斯在傳統(tǒng)光學(xué)領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，在項(xiàng)目牽引下自行研制出多塊1～2 m級(jí)的Hindle高精度球面鏡，配合分段測(cè)量基本可以滿足米級(jí)雙曲面次鏡拋光階段的檢測(cè)，但該方法不適于極大型望遠(yuǎn)鏡中次鏡的檢測(cè)。Noble［10］和Percino-Zacarias［11］等推導(dǎo)了該方法的解析公式。

圖6 美國(guó)SOML提出的超大口徑凸非球面鏡檢測(cè)系統(tǒng)

圖7 俄羅斯LZOS采用的兩塊Hindle球面鏡分段檢測(cè)系統(tǒng)（a）及光路圖（b）

4 國(guó)內(nèi)雙曲面次鏡面形檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)在大型非球面主鏡制造和檢測(cè)技術(shù)方面進(jìn)步較快，但總體上與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在較大差距。同時(shí)，我國(guó)在大型次鏡制造和檢測(cè)技術(shù)方面顯得更為薄弱，目前所研制的雙曲面次鏡口徑集中在200mm以下；檢測(cè)方法除傳統(tǒng)Hindle法之外，中科院光電技術(shù)研究所、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所、中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所、蘇州大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等單位在凸非球面檢測(cè)技術(shù)方面也進(jìn)行了諸多努力和探索［12～16］，主要方法包括：背部工藝球面法、透射自準(zhǔn)法和零補(bǔ)償法。

對(duì)于口徑在200 mm以上400 mm以下的雙曲面次鏡主要采用Simpson-Hindle法進(jìn)行檢測(cè)，該方法主要對(duì)輔助光學(xué)元件材料均勻性提出了較高的要求。目前我國(guó)研制的次鏡口徑最大為2.16 m望遠(yuǎn)鏡的中雙曲面次鏡［17］，其基本參數(shù)為：口徑為730 mm，頂點(diǎn)曲率半徑為5 797.5 mm，二次常數(shù)為-5.077 526，最大非球面度約為14μm；檢測(cè)方法采用傳統(tǒng)的Hindle無(wú)像差法，制造的大型輔助元件為一塊口徑1 591 mm的球面反射鏡和一塊口徑為480 mm的平面轉(zhuǎn)折鏡。為了減小檢測(cè)雙曲面次鏡所需Hindle球面鏡口徑，中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所提出了基于橢球反射鏡的補(bǔ)償器法［18］，其口徑遠(yuǎn)小于Hindle球，但制造要比球面鏡困難，且需要在被測(cè)雙曲面次鏡中心區(qū)域開(kāi)孔以通過(guò)檢測(cè)光。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所曾開(kāi)展過(guò)單離軸Hindle球面鏡檢測(cè)凸非球面方面的方案探索［19］，但未對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行深入研究。

近期，中科院光電技術(shù)研究所正在開(kāi)展針對(duì)大型雙曲面次鏡的基于雙Hindle分塊球面鏡和子孔徑拼接技術(shù)的新檢測(cè)方法研究［20，21］，該方法綜合權(quán)衡檢測(cè)成本、系統(tǒng)性能和檢測(cè)效率，僅需要通常光學(xué)加工實(shí)體容易加工的較小口徑標(biāo)準(zhǔn)球面鏡，可以有效地解決其它定量檢測(cè)技術(shù)中的輔助元件（全口徑Hindle球、Hindle球殼、橢球鏡、非球面樣板和計(jì)算全息板）制造困難、成本高、對(duì)材料均勻性要求高、裝調(diào)誤差靈敏等問(wèn)題，也可解決單Hindle分塊球面鏡檢測(cè)技術(shù)的較低檢測(cè)效率問(wèn)題，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢驗(yàn)成本相對(duì)較低。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于大型雙曲面次鏡的檢測(cè)都需要制造特殊的大型輔助元件（如全口徑Hindle球、Hindle球殼、橢球鏡、非球面樣板和計(jì)算全息板），國(guó)外先進(jìn)國(guó)家根據(jù)自身優(yōu)勢(shì)各自具備至少一種檢測(cè)大型雙曲面次鏡的手段，且具備制造相應(yīng)特殊輔助元件的能力，并經(jīng)受住了實(shí)際工程實(shí)踐檢驗(yàn)。對(duì)于超大口徑次鏡的檢測(cè)，法國(guó)、美國(guó)和俄羅斯所提出的檢測(cè)方案都體現(xiàn)了子孔徑測(cè)試思想。國(guó)內(nèi)所研制的雙曲面次鏡口徑集中在200 mm以下，主要采用以背部工藝球面法為代表的透射式零補(bǔ)償方法進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)于口徑在200 mm以上400 mm以下的雙曲面次鏡主要采用Simpson-Hindle法進(jìn)行檢測(cè)。

基于上述分析，以大口徑高均勻性光學(xué)透射材料為代表的基本前提條件，以大口徑高精度球面反射鏡、高精度非球面樣板和計(jì)算全息板為代表的關(guān)鍵輔助元件研制能力和以子孔徑拼接技術(shù)為代表的檢測(cè)方法和數(shù)據(jù)處理方法將是該技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。優(yōu)化的大型雙曲面次鏡面形檢測(cè)方案需在基本前提條件的約束下，根據(jù)被測(cè)次鏡基本參數(shù)，考慮可能檢測(cè)方法的適應(yīng)性及所需配套輔助元件的研制能力，進(jìn)而綜合平衡確定。

大型和超大型雙曲面次鏡的研制是未來(lái)大型和極大型望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而其拋光階段的面形檢測(cè)方法是研制大型和超大型雙曲面次鏡的關(guān)鍵技術(shù)和基本保障。盡快縮短我國(guó)在大型次鏡制造和檢測(cè)技術(shù)方面與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距是目前面臨的緊迫任務(wù)之一，因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)此方面的研究工作。

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HOU Xi，WU Fan
（Institute of Optics and Electronics，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610209，China）

With the large applications of the two-mirror optical system with hyperboloidal secondary mirror to astronomical and spacial fields，the aperture and relative aperture of themirror grow larger and larger，which demands themeasurement techniques to be improved greatly.According to the parameters of internationally typical hyperboloidal secondary mirrors，the basic specification and developing trends of secondary mirror is analyzed.The surface measurementmethod in overseas for the secondary mirror is emphatically introduced，and the corresponding key techniques and applicability are analyzed.In addition，the status of surfacemeasurementmethod in our country for the mirror is also introduced.Finally，the developing trends of surface measurement technology for the secondary mirror are summarized and prospected，it points out that the research on measurementmethod in future should focus on the transmission materials with high homogeneity，high precision and large aperture auxiliary components and the measurement methods and data processing based on sub-apeature stitching.

surfacemeasurement；hyperboloidal secondarymirror；optical test

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.60908042）

TQ171.68；O439

A

1674-2915（2010）04-0310-08

2010-03-11；

2010-05-18